相控阵雷达(及雷达简介)

功能、优点
相控阵雷达又称作相位阵列雷达，是一种以改变雷达波相位来改变波束方向的雷达，因为是以电子方式控制波束而非传统的机械转动天线面方式，故又称电子扫描雷达。相控阵雷达有相当密集的天线阵列，在传统雷达天线面的面积上目前可安装一千多到两千多个相控阵天线 (F-22约有2000个)，任何一个天线都可收发雷达波，而相邻的数个天线即具有一个雷达的功能。扫描时，选定其中一个区块(数个天线单元)或数个区块对单一目标或区域进行扫描，因此整个雷达可同时对许多目标或区域进行扫描或追踪，具有多个雷达的功能。由於一个雷达可同时针对不同方向进行扫描，再加之扫描方式为电子控制而不必由机械转动，因此资料更新率大大提高，机械扫描雷达因受限於机械转动频率因而资料更新周期为秒或十秒级，电子扫描雷达则为毫秒或微秒级。因而它更适於对付高机动目标。此外由於可发射窄波束，因而也可充当电战天线使用，如电磁干扰甚至是构想中发射反相位雷达波来抵消探测电波等。
相控阵雷达对於飞机的匿踪性能也相当重要，传统的机械雷达之机械结构会造成相当大的回波，使用无机械结构的相控阵雷达就能使这一影响更小。而侦查时发射的窄波束也减低了被发现的机会，并使得敌方的电战系统难以发挥功能。
原理
相控阵雷达何以有此功效呢？在做进一步认识之前，笔者先简单介绍雷达原理及其演进。雷达是高科技产物，但其基本原理是很简单的。
雷达是一种发射电磁波，藉由解算回波之种种数据来达到探测目的的一种装置。随著年代的演进而增加新的功能，但都不脱离两个基本步骤：发射雷达波以及解算回波。
电磁波的发射，是利用正负电荷之往返震荡而发出的，在雷达上是在天线上产生正负电荷并使之震荡如图一。发出电磁波之强度分布如图二，为一＂横躺＂在x轴上的＂8＂字绕y轴转动後所产生的立体形状，类似红血球一般，天线指向y轴而以横躺的8字中心为中心。设由原点向任一方向画直线与此＂红血球形＂交於p点，则原点到p点的长度代表该方向电磁波强度。也就是说在垂直於y轴之平面上电磁波最强，随著与此平面之夹角增加电磁波随之减弱，在天线方向上则没有电磁波。以上所提对相控阵雷达原理之理解并不是那么重要，不过将有助於我们观察雷达天线的阵列情形。
当然，单一天线发射的雷达波依然是以球面扩散的，强度与距离平方成反比，所以当然不可能只用一个天线就能做成雷达啦，一定要有其他方法的，除了增强功率外，就是让雷达波尽量平行发射啦。为了达到此目的，目前主要有抛物面雷达以及平面阵列雷达，两者都是机械扫描雷达，但後者之原理与相控阵雷达有些相近。
抛物面雷达在抛物面焦点处安装发射天线，经抛物面反射成近乎平行波束，目前直升机雷达以及陆基防空雷达、机场雷达等多使用这种雷达。这种雷达现在渐渐被取代，因为抛物面相当难做，一般都是用球面或椭球面来近似，不论如何进似，终究不是真正抛物面，因此就容易出现误差。此外，这种雷达只由一个天线作收发工作，因而对单一天线性能要求就相当高，而天线故障整个雷达也就挂了。
这种雷达不是没有好处的，他能接收单一天线感测不到的强度的回波：天线有其能感测的最低电磁波强度(单位面积的功率)，若强度小於这个值，就无法感测或被当杂波滤除。抛物面天线可将回波反射回位於焦点的天线，故此时天线接收到的强度就是抛物面接收到之雷达波强度之加成。(副图：雷达波的＂加成＂示意)
平面阵列雷达则是在一个平面上布上许多天线，藉由波的干涉原理来制造近平行波束，基本发射原理与相控阵雷达相近故留待稍後解释之。西方标准的第三代战机以及俄国第四代战机 (除了MiG-31)多用这种雷达，中国自行研发的歼雷十也是平面阵列雷达。
此类雷达还仰赖＂合成孔径＂技术，雷达的性能除了探测距离、资料更新率等等外，还有个很重要的，解析度。解析度不高的雷达无法精确知道敌人的位置，只能知道敌人来袭却无法反制，因此要提高解析度，雷达的解析度与波束发散角(最外侧行进方向与中央线的夹角)有关，发散角越小解析度越高，而要降低发散角，就要加大天线。再某些时候这是不好做的，因而有人想到能否利用相间的小天线(天线阵列)来达成相同效果，实验证明是可行的，藉由对阵列上每个天线接收到的数据的合成处理，可以达到涵盖这些阵列的抛物面雷达的解析度。也就是说，当两天线相距d距离时，其解析度同等於以d为直径的抛物面雷达，不过接收功率仅为2个天线之接收功率和。也因为没有抛物面将回波＂加成＂，因此对於强度小於单一天线能感测强度之最小值之回波，此种雷达是无法感应的。
不论是抛物面或平面阵列式雷达，皆属於机械扫描雷达，靠机械转动天线面来改变波束方向，因此其资料更新率与机械转动周期有关，这受到机械结构等问题影响而不会太快，一般更新周期以秒计。
抛物面雷达於平面阵列雷达之比较
口径相同时，两者的解析度相同，不过抛物面雷达接收到的功率是整个面接收到的能量的加成，故能接收强度较小的回波。而平面阵列雷达接收到的功率是每个天线的加成，其平面不可能全部都是天线，因此总功率低於抛物面雷达，且无法接收强度低於天线感测下限的回波。因为制造工艺的因素，加上相同的解析度，因此战机上抛物面雷达渐渐被取代。就好像如果可能的话，所有的天文学家都会希望有一个直径跟地球一样大的望远镜，但那是不可能的，因此只能藉由整合分开的小望远镜来达到要求的解析度。
关於雷达天线的指向
从观察雷达天线的方向(就是电偶极/electric dipole的方向)，可以大概知道雷达的功能。仔细 观察时，会发现目前飞机上的平面阵列雷达，其天线都是水平放置的，而像俄罗斯 X-35/Kh-35＂天王星＂反舰导弹上的平面阵列雷达之天线，就是垂直放置的。详细情形我目前也不太清楚，我猜想这是因为这些飞机雷达需要兼顾对地性能(平面阵列雷达出现後的飞机一般都已具备对地能力)，而掠海飞行的反舰飞弹不需要下视，只要要求视野宽广即可。
前面提到电磁波的发射，以及电偶极方向与电磁波强度之关系。从那里我们可以看出水平放置以及垂直放置的天线发出电波的能量分布，并从中得到放置方式与功能的关系。在前者，电磁波在俯仰方向上是最强的，往两侧渐渐减弱；在後者，水平方向是最强的，而往上下两侧渐渐减弱。所以说当天线水平放置时，可以在俯仰方向维持高强度雷达波。故推测可能是为了兼顾对地处理能力而做这种布置。
相控阵雷达之波束产生原理与平面阵列雷达其实是相同的，但多了相位控制功能因而可不必借助机械而改变波束方向。在解释此原理前先介绍几个波的专有名词：波前、相位。波前定义为与波行进方向垂直之曲线或曲面，例如平行波波前即为垂直於波束之平面，球状发射波之波前为球面???等，换言之可以用波前的扩散来想像波的行进。相位就是相角，与位置、波长、周期、时间等有关，相位差就是相位的差异。如果撇开数学，纯粹定性的话，在雷达天线面上，各天线同时发射电磁波，则各电磁波就是同相，如果各天线发射电磁波有先後次序，则各天线发射之电磁波有相位差。这么解释较容易体会吧！现在来考虑同相的情况，我们在x轴上等间格安置一模一样的点波原，点波原在平面上传波方式为圆形平面，现在只要考虑x轴以上，因为他与x轴以下情况是一样的。今假设过了一段时间，各波原产生的波行进的距离是一样的，因此可以各波原为圆心取相同半径画半圆，如此可得到各波波前交织在一起的图像，如果继续画下去，不论里面交得多乱，最前端的形状几乎是一样的，即许多圆弧交线的最前端，事实上这就是其巨观之波前。现在，我们在每两点中间再加一个点波原，赵相同方法作图，会发现最前端曲线，也就是合成波前，更加平滑，所以说，当点波原距离越近，合成波前就越接近与这些点波原连线平行之曲线(在此为直线)，这就是＂海更士原理＂，只不过海更士是倒过来说的：＂波前可视为无线多个点拨圆的连线。＂经由实验可以知道这是成立的。对了，有没有注意到，这就是平面阵列雷达产生近平行波束的原理！
接著，讨论有相位差的情况了，这就是相控阵雷达控制波束的原理了。同样的，我们在x 轴上等间格安置一模一样的点波原，为了方便说明，由左到又依次编号1，2，3....，并假设由1开始每格一个周期T的时间间隔下一个点波原才开始发射(时间间格可以自己挑，不过选择一个周期最好画)。好，开始画图吧：t=0时，1号开始发射。t=T时，2号开始发射，因为经过了一个周期，所以1也开始发射下一个波。t=2T时，以1号为圆心有两个半圆，以二号为圆心有一个半圆，同时1,2,3同时发射下一个波。???照这样画下去，就会发现跟先前同相时的例子一样的圆弧交线，而且是朝著右上方传递的，当波原很接近时，该曲线就接近直线了。波就是这样往右偏折的。同样的道理，可以知道波如何往左、往上、往下偏。这就是电子扫描雷达的原理。当然要提升其效能就有其他复杂的工程问题了，如天线的密集度、处理资讯的能力等等。
因此相控阵雷达可选择雷达面上相邻的数个天线来当一个雷达用，或选用多个区块构成多组雷达来侦查同一目标以增加解析度，有的书籍上说相控阵雷达的每一个天线都相当於一个雷达，这会造成相当大的误解：如果每个都是雷达，何必选用一组去照射目标？每个天线固定在那里，要怎么去转向？了解其原理，就能避开误解了。由於是使用电子控制相位差扫描而不用机械，再加上可针对性的扫描，因此资料更新率以微秒计，远优於机械式雷达。此外由於相控阵雷达可制造窄波束，因此也具有电战功能，当然波束能多窄式取决於其他技术的，像美国APG-77雷达就可发射发散角仅2度(最外侧波行进方向与中央线之夹角)的窄波束。具有更好的反探测及电战能力。
有源与无源
相控阵雷达又分有源/主动、无源/被动两种，像笔者这种外行人看了会误解成能自己发射雷达波与只能接收雷达波。因此在这要多做解释，所谓有源无源是针对天线而言的。有源相控阵雷达的＂天线＂是一种称为T/R模组的接收与发射装置，每一块都能自己产生电磁波。而无源相控阵雷达则是使用统一的发射机与接收机，外加具有相位控制能力的相控阵天线而成，即天线本身不能产生雷达波。两者在功能上无太大差别，不过有源者只收发单元为以固态科技制造的微机电系统，适合自动化生产、重量轻、故障率低，此外即使几个天线故障也不会过分影响整体性能；而无源者与传统雷达只有天线以及处理系统的差别(例如俄国NIIP 雷达公司就为SU-27与MiG-29设计相控阵天线，只要把天线以及处理系统更新，就成了向控阵雷达)，重量、生存能力等绝比不上有源者，因此有源相控阵雷达是军机雷达的发展趋势之一，目前只有美国与日本具有此技术，其他国家也将跟进，如法、德、英合作开发将用於EF-2000、Rafale的项控阵雷达、瑞典将用於升级JAS-39的雷达等。
　
发展状况
从F-22的APG-77到JSF使用的T/R模块有很大的进步，在APG-77中，T/R模块像块砖，而在JSF使用的T/R模块则进步到＂瓦＂的水平(较薄)。
使用上，通常将2到8个T/R单元使用一组共用元件，作为一个模组，共用单元的数量越多，越便宜、越轻，但共用组件故障时对雷达性能影响就较显著，以洛斯诺普-格鲁曼公司提供给JSF的雷达为例，是以2个T/R单元作为一个模组。
目前美国的T/R模组一个约600到800美元，预计在下一批量产後(F-22与JSF等之雷达) 因产量、自动化技术及成熟度提升，而可降至200美元上下。
　
再来看看俄罗斯的发展，最近几年俄罗斯法佐特龙公司(NIIR)在航展上都会展出一种很与众不同的雷达，他没有机械装置，很显然的是相控阵雷达，但其天线阵列方式很不一样，不论是现在美国、法国、还是MiG-31用的相控阵雷达，其天线都是密集、呈方阵排列的，而该款雷达却是在一个圆形平面上，散布著许多小圆，小圆以该平面圆心为中心向外以近漩涡状辐射排列。小圆内不确定还有没有天线阵列。这样可能是因为其天线较精密、价格高，为避免浪费而舍弃在整个平面密布天线的做法(反正这不会影响解析度)。也可能是使用波长较长的雷达波，故将阵列摆开。
　
光电搜索
被动探测技术是21世纪初期的趋势，不论是空军亦或是海军。因为被动探测能避免因自己发射雷达波而暴露行踪，避免打草惊蛇。其中红外线被动探测装置因为发展已久，技术日趋成熟可靠，加上飞机运动时摩擦空气无可避免的会发出红外光谱，因此是目前的一项重点技术。21世纪初的红外探测装置不但要能探知位置，还要能进行热成象，这一性能除了增加对敌探测精度、增加红外导弹精度，还使得战机有意想不到的自卫能力--拦截空空导弹。
事实上把光电探测装置说成是21世纪初的趋势，是很对不起北方那位朋友--俄罗斯--的，早在1980年代的SU-27与MiG-29起，光电探测器就成了其必备装备，西方国家直到新世代战机(西方第四代)才开始使用，一方面可能是德国统一後前东德MiG-29带给欧洲国家的冲击使之重视该技术。
机载光电探测系统可概分为前视光电系统以及阵列式感测装置。前者包括在SU-27上就有的第一代红外探测系统，以及第二代感测阵列前视系统。第三代、以及目前正在发展的第四代也都是阵列感测的。
第一代前视红外探测系统。顾名思义，这就是＂往前看＂的红外装置，在战斗机上，前苏联 SU-27、MiG-29首度使用，基本上包括红外线接收装置、激光测距仪。藉由红外感测器测得目标的俯仰角、方位角，再用激光测距仪测距，如此便可定出目标的座标。SU-27与MiG-29 还将前视红外装置与头盔瞄准具连线，使探测方向与飞行员看的方向同步，因此可以做到＂看到哪，瞄到哪＂，并搭配能大角度离轴发射的R-73缠斗导弹，大幅提高近距离空战之杀伤力，德国统一後，曾用F-16配备AIM-9与MiG-29配备R-73进行模拟空战以验证上述搭配之实用价值。事实证明，当不使用＂绝招＂时，MiG-29与F-16几乎是平手，但使用头盔瞄准具以及R-73後，前者几乎可以以一换十！这项比对激发西方国家加速发展离轴发射飞弹以及相关系统。在EF-2000计画中，德国一再坚持要保留前视红外装置，由此更显其重要性。
第一代前视红外装置有个缺点，就是复杂。系统必须能稳定的瞄准目标，因此机械装置要求甚高，制作较困难且成本高；再者，它需要很多组镜片。这些因素都提高成本，美国的F-22 因此取消安装前视红外装置的计画。不过，除了F-22之外的新世代战斗机，各各都已经或是计画装备这类系统，已经装备的有SU-27系列、MiG-29系列、SU-47、EF-2000、Rafale、 F-16Block60，而计画装备的有JAS-39等。近30年前的苏联人，也许是为了对抗航电先进的美国飞机，而弄出这种技术，这种巧思真的令人佩服，然而在几年前，还只有俄国飞机使用这种系统的时代，有人会以＂天候会影响＂、＂那么好美国为什么不用＂等来质疑其实用性???这些事实再度打破美国一定对的神话。
红外感测阵列，他由一群红外感测单元构成一组阵列，搭配一组计算机，以类似相控阵雷达接收回波的方式探测目标(计算每个单元接收信号之时间差，也就是相位差)具备高解析度的热成像能力。因为类似相控阵雷达的操作方式，而且相当薄，故可以固定安装在飞机结构或外皮，提供飞机全方位的威胁警告，也因为解析度特高，因此还具有一定的导引空空导弹拦截空空导弹能力。他还可以装在红外导引飞弹上，使系统更加轻巧精确，甚至也具备反空空导弹能力。
与第一代前视红外探测系统相比：
?他不需要像前视红外系统一样需要高稳定追瞄系统，因此省去了复杂而笨重的
机械，并减低故障率，即使有部分单元故障，对整体影响也不大。
?不需要传统光电系统的多个镜片，减轻复杂度。
以上这些都使这种系统相当适合廉价运用，也更易於维护，光结构复杂一项，就让美国取消原本预定装备在F-22上的前视红外系统。
?第三代系统更具有适合量产、成本较低、维护较简单等优点，因为每一个感测单元就相当於一个很小的系统，像相控阵雷达的T/R模块一样，适合自动化生产。
第二代光电探测系统
第二代的光电感测装置是第一种实用化的红外感测阵列装置，是目前装备较多的主流产品，以碲镉汞为感测材料，外加激光测距仪，与第一代产品相比，解析度提高50%到60%，可以热成像，在恶劣天候环境下效率较高；探测距离增加50%到100%。不过因为阵列数较少，无法全周界成像，只算是第一代系统的先进版。
美国再第二代前视系统中使用480x4元阵列，欧洲用288x4元，美国已将第二代系统用於 RAH-66直升机、飞弹导引头等。
第三代光电探测系统
以凝视焦平面阵列为代表，这一代系统增加单元数、取消激光测距仪，在功能上用於飞机的全周界警告等(警告方法下一段介绍)。在技术上，用微机电技术将电路整合在晶片上，节省许多空间，并用新型中、长波红外探测材料取代较昂贵的碲镉汞。这种系统带给飞机一种更新、更有效的预警方式。并被视为热成像系统的革命，最新一代的飞机、飞弹将配备这种科技。不过，以第三代的技术，再对地攻击等需惊确定位的情况下仍嫌不足，故对於有这类需要的飞机，依然需搭配激光测距仪的前是红外装置。
SU-30MK就具有全周界红外警告系统，她将红外阵列安装在机背(不知道其他地方有没有)，布置成可以360度接收讯号，并搭配一个专属的电脑，当飞弹来袭时，飞弹发出的红外讯号就会被接收，电脑会据此算出威胁的方位，对飞行员提出警告。而飞行员甚至可以选择以空空导弹拦截之，此时电脑的任务就像射控电脑，提供讯息给导弹，让他进行拦截。也许有人会对＂拦截空空导弹＂感到怀疑，认为他不可能经过实验，怎么知道？我们提一下德国的 IRIS-T飞弹好了，该飞弹也是安装红外感测阵列导引头，也公布拥有反空空导弹的性能。其工程师表示＂研发这种系统的最初目的并不是为了打空空导弹，然而在测试中我们意外发现了这项性能，尽管不能保证他具有百分之百的拦截性能。＂由此或许可以推测，未来飞机可能都将具备这方面的能力，只是没有说出来而已。除了SU-30MK，美国JSF计画中的两个竞标者--X-32与X-35--也都装备这种系统，他们将六组阵列布置於飞机周围，使具备360 度警戒能力。此外，为了让现有飞机也具备这样的能力，美国雷神公司推出了AN/AAR-58 飞弹警告系统，大概又能大捞一票了吧。
全方位的红外警告大概是当今已公布最好的飞弹警告方法，在这之前，飞机只能对雷达导引飞弹进行警戒，弹对於被动探测的红外线导引飞弹而言，却束手无策，现在有了这样的警告系统，同时可以发现各种威胁，甚至可以把飞弹打下来。天啊！这不就是设雕英雄传里郭靖跟哲别互射弓箭的镜头吗！！
这种科技也用在飞弹上，新一代的缠斗飞弹用的都是这种，德国IRIS-T、以色列巨蟒四、欧洲ASRAAM、美国AIM-9X都是。同样的，他可以减轻重量、复杂度等，最重要的是精确度大大提高，因为他可以热成像，我看过AIM-9X发射时其导引头传回的影像，真的相当清楚，可以清楚看到目标的外型，难怪有人说他可以选择要攻击的部位了。从IRIS-T可以拦截导弹的消息看来，也许以上这些飞弹都有这种能力。
关於红外阵列的成像能力，上面提到的只是飞弹导引头的成像，装载飞机上的更不得了，我曾再杂志上看过一张＂黑白图片＂，好几次，我都把它当作是侦察机的空照图或卫星影像，有一天，我认真的看该图的解说---天啊，杀了我吧！那是美国雷神公司研制的一种红外装置对地面的热成像???这真是令人难以想像啊！
机载光电系统发展趋势
?多光谱多波综合：能同时在许多波段下工作，以提供更清晰的图像，并为将来无人飞机的自动目标识别、自动攻击等提供一定的技术基础。
?综合数据处理能力：光电探测再怎么先进，仍会受到天候影响，将电磁波与光电数据综合，将能互补不足，提供更精确的数据。
光电探测系统具有被动探测的优势，较容易发现像飞弹这类小物体或匿踪飞机等小RCS物体。而最新的红外感测阵列具有精密的热成像以及反飞弹功能，因此光电探测是未来战机的趋势之一，而全方位红外线警告相信将是未来飞机的必要装备。

功能、优点
相控阵雷达又称作相位阵列雷达，是一种以改变雷达波相位来改变波束方向的雷达，因为是以电子方式控制波束而非传统的机械转动天线面方式，故又称电子扫描雷达。相控阵雷达有相当密集的天线阵列，在传统雷达天线面的面积上目前可安装一千多到两千多个相控阵天线 (F-22约有2000个)，任何一个天线都可收发雷达波，而相邻的数个天线即具有一个雷达的功能。扫描时，选定其中一个区块(数个天线单元)或数个区块对单一目标或区域进行扫描，因此整个雷达可同时对许多目标或区域进行扫描或追踪，具有多个雷达的功能。由於一个雷达可同时针对不同方向进行扫描，再加之扫描方式为电子控制而不必由机械转动，因此资料更新率大大提高，机械扫描雷达因受限於机械转动频率因而资料更新周期为秒或十秒级，电子扫描雷达则为毫秒或微秒级。因而它更适於对付高机动目标。此外由於可发射窄波束，因而也可充当电战天线使用，如电磁干扰甚至是构想中发射反相位雷达波来抵消探测电波等。
相控阵雷达对於飞机的匿踪性能也相当重要，传统的机械雷达之机械结构会造成相当大的回波，使用无机械结构的相控阵雷达就能使这一影响更小。而侦查时发射的窄波束也减低了被发现的机会，并使得敌方的电战系统难以发挥功能。
原理
相控阵雷达何以有此功效呢？在做进一步认识之前，笔者先简单介绍雷达原理及其演进。雷达是高科技产物，但其基本原理是很简单的。
雷达是一种发射电磁波，藉由解算回波之种种数据来达到探测目的的一种装置。随著年代的演进而增加新的功能，但都不脱离两个基本步骤：发射雷达波以及解算回波。
电磁波的发射，是利用正负电荷之往返震荡而发出的，在雷达上是在天线上产生正负电荷并使之震荡如图一。发出电磁波之强度分布如图二，为一＂横躺＂在x轴上的＂8＂字绕y轴转动後所产生的立体形状，类似红血球一般，天线指向y轴而以横躺的8字中心为中心。设由原点向任一方向画直线与此＂红血球形＂交於p点，则原点到p点的长度代表该方向电磁波强度。也就是说在垂直於y轴之平面上电磁波最强，随著与此平面之夹角增加电磁波随之减弱，在天线方向上则没有电磁波。以上所提对相控阵雷达原理之理解并不是那么重要，不过将有助於我们观察雷达天线的阵列情形。
当然，单一天线发射的雷达波依然是以球面扩散的，强度与距离平方成反比，所以当然不可能只用一个天线就能做成雷达啦，一定要有其他方法的，除了增强功率外，就是让雷达波尽量平行发射啦。为了达到此目的，目前主要有抛物面雷达以及平面阵列雷达，两者都是机械扫描雷达，但後者之原理与相控阵雷达有些相近。
抛物面雷达在抛物面焦点处安装发射天线，经抛物面反射成近乎平行波束，目前直升机雷达以及陆基防空雷达、机场雷达等多使用这种雷达。这种雷达现在渐渐被取代，因为抛物面相当难做，一般都是用球面或椭球面来近似，不论如何进似，终究不是真正抛物面，因此就容易出现误差。此外，这种雷达只由一个天线作收发工作，因而对单一天线性能要求就相当高，而天线故障整个雷达也就挂了。
这种雷达不是没有好处的，他能接收单一天线感测不到的强度的回波：天线有其能感测的最低电磁波强度(单位面积的功率)，若强度小於这个值，就无法感测或被当杂波滤除。抛物面天线可将回波反射回位於焦点的天线，故此时天线接收到的强度就是抛物面接收到之雷达波强度之加成。(副图：雷达波的＂加成＂示意)
平面阵列雷达则是在一个平面上布上许多天线，藉由波的干涉原理来制造近平行波束，基本发射原理与相控阵雷达相近故留待稍後解释之。西方标准的第三代战机以及俄国第四代战机 (除了MiG-31)多用这种雷达，中国自行研发的歼雷十也是平面阵列雷达。
此类雷达还仰赖＂合成孔径＂技术，雷达的性能除了探测距离、资料更新率等等外，还有个很重要的，解析度。解析度不高的雷达无法精确知道敌人的位置，只能知道敌人来袭却无法反制，因此要提高解析度，雷达的解析度与波束发散角(最外侧行进方向与中央线的夹角)有关，发散角越小解析度越高，而要降低发散角，就要加大天线。再某些时候这是不好做的，因而有人想到能否利用相间的小天线(天线阵列)来达成相同效果，实验证明是可行的，藉由对阵列上每个天线接收到的数据的合成处理，可以达到涵盖这些阵列的抛物面雷达的解析度。也就是说，当两天线相距d距离时，其解析度同等於以d为直径的抛物面雷达，不过接收功率仅为2个天线之接收功率和。也因为没有抛物面将回波＂加成＂，因此对於强度小於单一天线能感测强度之最小值之回波，此种雷达是无法感应的。
不论是抛物面或平面阵列式雷达，皆属於机械扫描雷达，靠机械转动天线面来改变波束方向，因此其资料更新率与机械转动周期有关，这受到机械结构等问题影响而不会太快，一般更新周期以秒计。
抛物面雷达於平面阵列雷达之比较
口径相同时，两者的解析度相同，不过抛物面雷达接收到的功率是整个面接收到的能量的加成，故能接收强度较小的回波。而平面阵列雷达接收到的功率是每个天线的加成，其平面不可能全部都是天线，因此总功率低於抛物面雷达，且无法接收强度低於天线感测下限的回波。因为制造工艺的因素，加上相同的解析度，因此战机上抛物面雷达渐渐被取代。就好像如果可能的话，所有的天文学家都会希望有一个直径跟地球一样大的望远镜，但那是不可能的，因此只能藉由整合分开的小望远镜来达到要求的解析度。
关於雷达天线的指向
从观察雷达天线的方向(就是电偶极/electric dipole的方向)，可以大概知道雷达的功能。仔细 观察时，会发现目前飞机上的平面阵列雷达，其天线都是水平放置的，而像俄罗斯 X-35/Kh-35＂天王星＂反舰导弹上的平面阵列雷达之天线，就是垂直放置的。详细情形我目前也不太清楚，我猜想这是因为这些飞机雷达需要兼顾对地性能(平面阵列雷达出现後的飞机一般都已具备对地能力)，而掠海飞行的反舰飞弹不需要下视，只要要求视野宽广即可。
前面提到电磁波的发射，以及电偶极方向与电磁波强度之关系。从那里我们可以看出水平放置以及垂直放置的天线发出电波的能量分布，并从中得到放置方式与功能的关系。在前者，电磁波在俯仰方向上是最强的，往两侧渐渐减弱；在後者，水平方向是最强的，而往上下两侧渐渐减弱。所以说当天线水平放置时，可以在俯仰方向维持高强度雷达波。故推测可能是为了兼顾对地处理能力而做这种布置。
相控阵雷达之波束产生原理与平面阵列雷达其实是相同的，但多了相位控制功能因而可不必借助机械而改变波束方向。在解释此原理前先介绍几个波的专有名词：波前、相位。波前定义为与波行进方向垂直之曲线或曲面，例如平行波波前即为垂直於波束之平面，球状发射波之波前为球面???等，换言之可以用波前的扩散来想像波的行进。相位就是相角，与位置、波长、周期、时间等有关，相位差就是相位的差异。如果撇开数学，纯粹定性的话，在雷达天线面上，各天线同时发射电磁波，则各电磁波就是同相，如果各天线发射电磁波有先後次序，则各天线发射之电磁波有相位差。这么解释较容易体会吧！现在来考虑同相的情况，我们在x轴上等间格安置一模一样的点波原，点波原在平面上传波方式为圆形平面，现在只要考虑x轴以上，因为他与x轴以下情况是一样的。今假设过了一段时间，各波原产生的波行进的距离是一样的，因此可以各波原为圆心取相同半径画半圆，如此可得到各波波前交织在一起的图像，如果继续画下去，不论里面交得多乱，最前端的形状几乎是一样的，即许多圆弧交线的最前端，事实上这就是其巨观之波前。现在，我们在每两点中间再加一个点波原，赵相同方法作图，会发现最前端曲线，也就是合成波前，更加平滑，所以说，当点波原距离越近，合成波前就越接近与这些点波原连线平行之曲线(在此为直线)，这就是＂海更士原理＂，只不过海更士是倒过来说的：＂波前可视为无线多个点拨圆的连线。＂经由实验可以知道这是成立的。对了，有没有注意到，这就是平面阵列雷达产生近平行波束的原理！
接著，讨论有相位差的情况了，这就是相控阵雷达控制波束的原理了。同样的，我们在x 轴上等间格安置一模一样的点波原，为了方便说明，由左到又依次编号1，2，3....，并假设由1开始每格一个周期T的时间间隔下一个点波原才开始发射(时间间格可以自己挑，不过选择一个周期最好画)。好，开始画图吧：t=0时，1号开始发射。t=T时，2号开始发射，因为经过了一个周期，所以1也开始发射下一个波。t=2T时，以1号为圆心有两个半圆，以二号为圆心有一个半圆，同时1,2,3同时发射下一个波。???照这样画下去，就会发现跟先前同相时的例子一样的圆弧交线，而且是朝著右上方传递的，当波原很接近时，该曲线就接近直线了。波就是这样往右偏折的。同样的道理，可以知道波如何往左、往上、往下偏。这就是电子扫描雷达的原理。当然要提升其效能就有其他复杂的工程问题了，如天线的密集度、处理资讯的能力等等。
因此相控阵雷达可选择雷达面上相邻的数个天线来当一个雷达用，或选用多个区块构成多组雷达来侦查同一目标以增加解析度，有的书籍上说相控阵雷达的每一个天线都相当於一个雷达，这会造成相当大的误解：如果每个都是雷达，何必选用一组去照射目标？每个天线固定在那里，要怎么去转向？了解其原理，就能避开误解了。由於是使用电子控制相位差扫描而不用机械，再加上可针对性的扫描，因此资料更新率以微秒计，远优於机械式雷达。此外由於相控阵雷达可制造窄波束，因此也具有电战功能，当然波束能多窄式取决於其他技术的，像美国APG-77雷达就可发射发散角仅2度(最外侧波行进方向与中央线之夹角)的窄波束。具有更好的反探测及电战能力。
有源与无源
相控阵雷达又分有源/主动、无源/被动两种，像笔者这种外行人看了会误解成能自己发射雷达波与只能接收雷达波。因此在这要多做解释，所谓有源无源是针对天线而言的。有源相控阵雷达的＂天线＂是一种称为T/R模组的接收与发射装置，每一块都能自己产生电磁波。而无源相控阵雷达则是使用统一的发射机与接收机，外加具有相位控制能力的相控阵天线而成，即天线本身不能产生雷达波。两者在功能上无太大差别，不过有源者只收发单元为以固态科技制造的微机电系统，适合自动化生产、重量轻、故障率低，此外即使几个天线故障也不会过分影响整体性能；而无源者与传统雷达只有天线以及处理系统的差别(例如俄国NIIP 雷达公司就为SU-27与MiG-29设计相控阵天线，只要把天线以及处理系统更新，就成了向控阵雷达)，重量、生存能力等绝比不上有源者，因此有源相控阵雷达是军机雷达的发展趋势之一，目前只有美国与日本具有此技术，其他国家也将跟进，如法、德、英合作开发将用於EF-2000、Rafale的项控阵雷达、瑞典将用於升级JAS-39的雷达等。
　
发展状况
从F-22的APG-77到JSF使用的T/R模块有很大的进步，在APG-77中，T/R模块像块砖，而在JSF使用的T/R模块则进步到＂瓦＂的水平(较薄)。
使用上，通常将2到8个T/R单元使用一组共用元件，作为一个模组，共用单元的数量越多，越便宜、越轻，但共用组件故障时对雷达性能影响就较显著，以洛斯诺普-格鲁曼公司提供给JSF的雷达为例，是以2个T/R单元作为一个模组。
目前美国的T/R模组一个约600到800美元，预计在下一批量产後(F-22与JSF等之雷达) 因产量、自动化技术及成熟度提升，而可降至200美元上下。
　
再来看看俄罗斯的发展，最近几年俄罗斯法佐特龙公司(NIIR)在航展上都会展出一种很与众不同的雷达，他没有机械装置，很显然的是相控阵雷达，但其天线阵列方式很不一样，不论是现在美国、法国、还是MiG-31用的相控阵雷达，其天线都是密集、呈方阵排列的，而该款雷达却是在一个圆形平面上，散布著许多小圆，小圆以该平面圆心为中心向外以近漩涡状辐射排列。小圆内不确定还有没有天线阵列。这样可能是因为其天线较精密、价格高，为避免浪费而舍弃在整个平面密布天线的做法(反正这不会影响解析度)。也可能是使用波长较长的雷达波，故将阵列摆开。
　
光电搜索
被动探测技术是21世纪初期的趋势，不论是空军亦或是海军。因为被动探测能避免因自己发射雷达波而暴露行踪，避免打草惊蛇。其中红外线被动探测装置因为发展已久，技术日趋成熟可靠，加上飞机运动时摩擦空气无可避免的会发出红外光谱，因此是目前的一项重点技术。21世纪初的红外探测装置不但要能探知位置，还要能进行热成象，这一性能除了增加对敌探测精度、增加红外导弹精度，还使得战机有意想不到的自卫能力--拦截空空导弹。
事实上把光电探测装置说成是21世纪初的趋势，是很对不起北方那位朋友--俄罗斯--的，早在1980年代的SU-27与MiG-29起，光电探测器就成了其必备装备，西方国家直到新世代战机(西方第四代)才开始使用，一方面可能是德国统一後前东德MiG-29带给欧洲国家的冲击使之重视该技术。
机载光电探测系统可概分为前视光电系统以及阵列式感测装置。前者包括在SU-27上就有的第一代红外探测系统，以及第二代感测阵列前视系统。第三代、以及目前正在发展的第四代也都是阵列感测的。
第一代前视红外探测系统。顾名思义，这就是＂往前看＂的红外装置，在战斗机上，前苏联 SU-27、MiG-29首度使用，基本上包括红外线接收装置、激光测距仪。藉由红外感测器测得目标的俯仰角、方位角，再用激光测距仪测距，如此便可定出目标的座标。SU-27与MiG-29 还将前视红外装置与头盔瞄准具连线，使探测方向与飞行员看的方向同步，因此可以做到＂看到哪，瞄到哪＂，并搭配能大角度离轴发射的R-73缠斗导弹，大幅提高近距离空战之杀伤力，德国统一後，曾用F-16配备AIM-9与MiG-29配备R-73进行模拟空战以验证上述搭配之实用价值。事实证明，当不使用＂绝招＂时，MiG-29与F-16几乎是平手，但使用头盔瞄准具以及R-73後，前者几乎可以以一换十！这项比对激发西方国家加速发展离轴发射飞弹以及相关系统。在EF-2000计画中，德国一再坚持要保留前视红外装置，由此更显其重要性。
第一代前视红外装置有个缺点，就是复杂。系统必须能稳定的瞄准目标，因此机械装置要求甚高，制作较困难且成本高；再者，它需要很多组镜片。这些因素都提高成本，美国的F-22 因此取消安装前视红外装置的计画。不过，除了F-22之外的新世代战斗机，各各都已经或是计画装备这类系统，已经装备的有SU-27系列、MiG-29系列、SU-47、EF-2000、Rafale、 F-16Block60，而计画装备的有JAS-39等。近30年前的苏联人，也许是为了对抗航电先进的美国飞机，而弄出这种技术，这种巧思真的令人佩服，然而在几年前，还只有俄国飞机使用这种系统的时代，有人会以＂天候会影响＂、＂那么好美国为什么不用＂等来质疑其实用性???这些事实再度打破美国一定对的神话。
红外感测阵列，他由一群红外感测单元构成一组阵列，搭配一组计算机，以类似相控阵雷达接收回波的方式探测目标(计算每个单元接收信号之时间差，也就是相位差)具备高解析度的热成像能力。因为类似相控阵雷达的操作方式，而且相当薄，故可以固定安装在飞机结构或外皮，提供飞机全方位的威胁警告，也因为解析度特高，因此还具有一定的导引空空导弹拦截空空导弹能力。他还可以装在红外导引飞弹上，使系统更加轻巧精确，甚至也具备反空空导弹能力。
与第一代前视红外探测系统相比：
?他不需要像前视红外系统一样需要高稳定追瞄系统，因此省去了复杂而笨重的
机械，并减低故障率，即使有部分单元故障，对整体影响也不大。
?不需要传统光电系统的多个镜片，减轻复杂度。
以上这些都使这种系统相当适合廉价运用，也更易於维护，光结构复杂一项，就让美国取消原本预定装备在F-22上的前视红外系统。
?第三代系统更具有适合量产、成本较低、维护较简单等优点，因为每一个感测单元就相当於一个很小的系统，像相控阵雷达的T/R模块一样，适合自动化生产。
第二代光电探测系统
第二代的光电感测装置是第一种实用化的红外感测阵列装置，是目前装备较多的主流产品，以碲镉汞为感测材料，外加激光测距仪，与第一代产品相比，解析度提高50%到60%，可以热成像，在恶劣天候环境下效率较高；探测距离增加50%到100%。不过因为阵列数较少，无法全周界成像，只算是第一代系统的先进版。
美国再第二代前视系统中使用480x4元阵列，欧洲用288x4元，美国已将第二代系统用於 RAH-66直升机、飞弹导引头等。
第三代光电探测系统
以凝视焦平面阵列为代表，这一代系统增加单元数、取消激光测距仪，在功能上用於飞机的全周界警告等(警告方法下一段介绍)。在技术上，用微机电技术将电路整合在晶片上，节省许多空间，并用新型中、长波红外探测材料取代较昂贵的碲镉汞。这种系统带给飞机一种更新、更有效的预警方式。并被视为热成像系统的革命，最新一代的飞机、飞弹将配备这种科技。不过，以第三代的技术，再对地攻击等需惊确定位的情况下仍嫌不足，故对於有这类需要的飞机，依然需搭配激光测距仪的前是红外装置。
SU-30MK就具有全周界红外警告系统，她将红外阵列安装在机背(不知道其他地方有没有)，布置成可以360度接收讯号，并搭配一个专属的电脑，当飞弹来袭时，飞弹发出的红外讯号就会被接收，电脑会据此算出威胁的方位，对飞行员提出警告。而飞行员甚至可以选择以空空导弹拦截之，此时电脑的任务就像射控电脑，提供讯息给导弹，让他进行拦截。也许有人会对＂拦截空空导弹＂感到怀疑，认为他不可能经过实验，怎么知道？我们提一下德国的 IRIS-T飞弹好了，该飞弹也是安装红外感测阵列导引头，也公布拥有反空空导弹的性能。其工程师表示＂研发这种系统的最初目的并不是为了打空空导弹，然而在测试中我们意外发现了这项性能，尽管不能保证他具有百分之百的拦截性能。＂由此或许可以推测，未来飞机可能都将具备这方面的能力，只是没有说出来而已。除了SU-30MK，美国JSF计画中的两个竞标者--X-32与X-35--也都装备这种系统，他们将六组阵列布置於飞机周围，使具备360 度警戒能力。此外，为了让现有飞机也具备这样的能力，美国雷神公司推出了AN/AAR-58 飞弹警告系统，大概又能大捞一票了吧。
全方位的红外警告大概是当今已公布最好的飞弹警告方法，在这之前，飞机只能对雷达导引飞弹进行警戒，弹对於被动探测的红外线导引飞弹而言，却束手无策，现在有了这样的警告系统，同时可以发现各种威胁，甚至可以把飞弹打下来。天啊！这不就是设雕英雄传里郭靖跟哲别互射弓箭的镜头吗！！
这种科技也用在飞弹上，新一代的缠斗飞弹用的都是这种，德国IRIS-T、以色列巨蟒四、欧洲ASRAAM、美国AIM-9X都是。同样的，他可以减轻重量、复杂度等，最重要的是精确度大大提高，因为他可以热成像，我看过AIM-9X发射时其导引头传回的影像，真的相当清楚，可以清楚看到目标的外型，难怪有人说他可以选择要攻击的部位了。从IRIS-T可以拦截导弹的消息看来，也许以上这些飞弹都有这种能力。
关於红外阵列的成像能力，上面提到的只是飞弹导引头的成像，装载飞机上的更不得了，我曾再杂志上看过一张＂黑白图片＂，好几次，我都把它当作是侦察机的空照图或卫星影像，有一天，我认真的看该图的解说---天啊，杀了我吧！那是美国雷神公司研制的一种红外装置对地面的热成像???这真是令人难以想像啊！
机载光电系统发展趋势
?多光谱多波综合：能同时在许多波段下工作，以提供更清晰的图像，并为将来无人飞机的自动目标识别、自动攻击等提供一定的技术基础。
?综合数据处理能力：光电探测再怎么先进，仍会受到天候影响，将电磁波与光电数据综合，将能互补不足，提供更精确的数据。
光电探测系统具有被动探测的优势，较容易发现像飞弹这类小物体或匿踪飞机等小RCS物体。而最新的红外感测阵列具有精密的热成像以及反飞弹功能，因此光电探测是未来战机的趋势之一，而全方位红外线警告相信将是未来飞机的必要装备。

[此贴子已经被作者于2004-11-24 16:35:55编辑过]